[發明專利]一種基于RT操作系統和FPGA的轉臺狀態空間控制系統及方法

有效

• 申請號: 201910357033.4
• 申請日: 2019-04-29
• 公開（公告）號: CN110045654B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 王勝利;方振華;趙慶;王媛媛;胡吉昌;鐘正虎
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

一種基于RT操作系統和FPGA的轉臺狀態空間控制系統及方法，利用包括RT操作模塊、FIFO數據流、FPGA伺服運算模塊、編碼器模塊的系統，通通過采用了RT和FPGA的仿真轉臺控制方案，通過RT模塊進行目標位置指令獲取，同時利用FPGA伺服運算模塊進行控制輸出量計算，滿足了半實物仿真試驗對仿真轉臺動態控制過程中實時性和伺服帶寬的要求，計算精度高，運算時間短。

技術領域

本發明涉及一種基于RT操作系統和FPGA的轉臺狀態空間控制系統及方法，屬于轉臺控制領域。

背景技術

高性能仿真轉臺是一種重要的半實物仿真試驗設備，通過其可以模擬飛行器真實的飛行運動軌跡，從而給被測產品提供精確、連續的空間姿態激勵，以驗證飛行器的飛行控制策略或被測產品的動態性能。

隨著慣導技術和飛行器性能的不斷發展，對仿真轉臺的動態響應性能、實時性和穩定性等要求也越來越高。特別是對于加速度和雙十帶寬等決定半實物仿真試驗能力的關鍵指標，更加需要不斷的提高和突破。

為滿足加速度和雙十帶寬指標要求，在仿真轉臺的控制系統設計中，高性能的控制算法和快速的伺服控制周期是關鍵要素。通過優化控制算法，可以提高轉臺的動態控制品質；通過較小伺服控制周期，可以提高動態跟蹤性精度，也可以提高系統帶寬。

目前仿真轉臺多采用DSP、PC104等嵌入式運動控制器或單純采用RT系統進行伺服運算的控制方案，在控制算法上，多采用PID算法。因此，伺服運算能力有限，仿真轉臺的伺服帶寬難以提高；控制算法在轉臺動態運行過程中難以保證控制穩定性。

本系統采用RT系統結合FPGA的系統方案，在RT上進行軌跡計算，在FPGA上進行伺服運算，以及采用轉臺狀態信息預測和控制的伺服算法。極大地縮短了仿真轉臺伺服運算的周期，從而提高了仿真轉臺的伺服帶寬。對轉臺運動過程中的狀態進行控制，提高了仿真轉臺的動態運行過程中的穩定性。

發明內容

本發明解決的技術問題是：針對目前現有技術中，大多使用PID控制算法，伺服運算能力不高和動態控制穩定性不足的困難，提出了一種基于RT操作系統和FPGA的轉臺狀態空間控制系統及方法，解決了傳統技術不能滿足半實物仿真試驗對仿真轉臺動態控制過程中伺服帶寬和控臺控制穩定性的要求的問題。

本發明解決上述技術問題是通過如下技術方案予以實現的：

一種基于RT操作系統和FPGA的轉臺狀態空間控制系統，包括RT操作模塊、FIFO數據流、FPGA伺服運算模塊、編碼器模塊，其中：

RT操作模塊：對目標位置指令進行N等份插值并發送至FIFO數據流；

FIFO數據流：接收RT操作模塊發送的N等份插值后的目標位置指令，以先入先出方式傳輸至FPGA伺服運算模塊；

編碼器模塊：采集當前時刻轉臺真實位置信息并發送至FPGA伺服運算模塊；

FPGA伺服運算模塊：接收編碼器模塊發送的當前時刻轉臺真實位置信息及FIFO數據流傳輸的N等份插值后的目標位置指令，計算當前時刻轉臺控制輸出量，并根據當前時刻轉臺控制輸出量控制轉臺轉動。

所述目標位置指令為外部仿真機發送的轉臺下一時刻目標位置指令或根據轉臺轉動任務的設定預測所得下一時刻轉臺轉動的目標位置指令信息。

所述FPGA伺服運算模塊包括FPGA觀測單元、FPGA控制單元、寄存器單元，其中：

寄存器單元：對接收到的轉臺模擬位置信息、轉臺轉動狀態變量、轉臺控制輸出量、目標位置指令進行存儲，供FPGA觀測單元、FPGA控制單元進行讀取調用；